Development of a highly efficient system for solar-ammonium production by nitrogen reduction in aqueous solution.

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K18309
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 八木 政行 新潟大学, 自然科学系, 教授 (00282971)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Keywords: アンモニア生成 / 窒素還元 / 混合金属酸化物膜 / 太陽光物質変換 / 触媒

Outline of Annual Research Achievements

ヘマタイト（Fe2O3）は、電気化学的な窒素還元によるNH3生成反応を促進する電極触媒として知られているが、その触媒性能には改善の余地が残されている。一方、Fe2O3触媒修飾電極の簡便作製法の開発も強く望まれている。本研究では、前駆体溶液を電極表面にドロップキャストする簡易な手法を用いてFe2O3触媒修飾電極を作製し、窒素飽和水溶液中における電気化学的NH3生成触媒活性を評価した。
300 ℃で焼成して作製したFe2O3/カーボンペーパー（CP）電極 のCVを測定した。Fe2O3の修飾により、-0.1 V vs RHE 付近からカソード電流の立ち上がりが確認された。Fe2O3/CPの-0.1 Vにおける定電位電解実験では、CP電極を用いた場合のの4.5倍の安定した電流が1時間に渡って観測された。インドフェノール法により生成アンモニアを定量した。電解後のFe2O3/CP電解液の660 nmにおける吸光度がCP電解液よりも顕著に大きいことから、Fe2O3がNH3生成触媒として働き、効果的にアンモニアが生成したことが示された。。電解後のFe2O3/CP電解液の吸光度から、0.180 μmolのNH3が算出され、ファラデー効率は26.9 %と見積もられた。一方、多元混合金属酸化物の合成に着手し、MoおよびFeを含む高分散かつ安定な多元混合金属酸化物の合成に成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

窒素還元によるアンモニア生成に高活性を示すFe2O3/カーボンペーパー（CP）電極 を作成することに成功した。Feを含む多元混合金属酸化物の生成に着手し、各金属イオンが均一に分散し、かつ安定に多元混合金属酸化物の合成に成功した。合成する多元混合金属酸化物の安定性に混合する金属イオンの対イオン種が大きく影響することも明らかにし、多元混合金属酸化物の合成に関する重要な知見を得た。

Strategy for Future Research Activity

合成した様々な金属を含むアFeを含む多元混合金属酸化物膜のアンモニア生成効率を俯瞰し、アンモニア生成効率の向上に効果的な重要元素を特定する。電気触媒反応に伴うこれらの混合金属酸化物膜のin situ 紫外－可視吸収分光測定、および時間分解X線吸収分光測定により、膜の酸化還元過程を明らかにして、混合金属間における相互作用を解明すると共に、触媒機構を推定する。密度汎関数（DFT）計算による理論的手法を用いて膜中の混合金属間の相互作用による触媒活性の向上機構を考察し、得られた研究結果をフィードバックして触媒活性の更なる向上を図る。

Causes of Carryover

昨今の半導体不足により、購入予定の雰囲気制御電気炉、および電化学測定装置の納品が今年度末に間に合わなかったため。